Immobilisierung endogener Ca2+-Puffer als Determinate der Paarpulsplastizität an einer kortikalen Synapse
Final Report Abstract
Informationen werden zwischen Nervenzellen meist über chemische Synapsen ausgetaucht. Ca2+, das als sekundärer Botenstoff in die präsynaptische Endigung einströmt, löst durch Bindung an ein spezialisiertes Sensorprotein die Freisetzung des chemischen Überträgerstoffes aus. Die räumliche Beziehung zwischen Ca2+- permeablen Kanälen und dem Freisetzungssensor (Kopplungsdistanz), sowie der Besatz der Synapse mit anderen Ca2+ bindenden Proteinen (CaBPe) spielt dabei eine entscheidende Rolle für die Verlässlichkeit des Übertragungsprozesses und für seine dynamische Regulation, die entweder zu einer Verstärkung (Bahnung) oder Abschwächung (Depression) der Übertragung führen kann. Ziel des beantragten Projektes war es, die Lagebeziehungen Ca2+ Kanäle/Freisetzungssensor sowie die Rolle wichtiger endogener CaBPe im Übertragungsprozess und seiner dynamischen Modulation (synaptische Plastizität) an Synapsen des cerebellären Cortex zu untersuchen. Spezifisch wurde die Rolle der CaBPe Calbindin-D28k (CB) und Parvalbumin (PV) an der inhibitorischen Synapse zwischen benachbarten Purkinje Neuronen (PN), die Rolle von Calretinin (CR) an der erregenden Parallelfaser (PF) – PN Synapse und die Kopplungs-Distanz an der aktiven Zone beider Synapsen untersucht. Wichtige Ergebnisse des Projektes umfassen die erstmalige Beschreibung der quantalen Parameter der synaptischen Übertragung beider Verbindungen, die Klärung der Funktion der genannten endogenen CaBPe bei diesem Prozess und bei der Induktion einer Form der kurzzeitigen synaptischen Plastizität (Paarpuls-Bahnung, PPF), sowie die Quantifizierung der Kopplungsdistanz an beiden Verbindungen. Unerwartet war dabei die Beobachtung, dass die PPF an PN-PN Synapsen nicht durch CB und PV beeinflusst wird, sondern dass der dominierende Mechanismus der PPF eine gebahnte Freisetzungsmaschinerie ist, ein Mechanismus, der an den ursprünglich von Katz und Miledi (1968) als „aktives Ca2+“ beschriebenen Mechanismus erinnert. Wichtigester Befund des Projektes dürfte jedoch die erstmalige Beschreibung einer unerwartet engen, sog. Nanodomänen-Kopplung (< 30 nm) an einer erregenden corticalen Synapse sein, ein Befund mit weiterreichenden Implikationen.
Publications
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(2012) Diffusion and extrusion shape standing calcium gradients during ongoing parallel fiber activity in dendrites of Purkinje neurons. Cerebellum 11:694-705
Schmidt H, Arendt O, Eilers J
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(2012) Three functional facets of calbindin D-28k. Front Mol Neurosci 5:1-25
Schmidt H
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(2013) Nanodomain coupling at an excitatory cortical synapse. Curr Biol 23:244-249
Schmidt H, Brachtendorf S, Arendt O, Hallermann S, Ishiyama S, Bornschein G, Gall D, Schiffmann SN, Heckmann M, Eilers J
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(2013) Paired-pulse facilitation at recurrent Purkinje neuron synapses is independent of calbindin and parvalbumin during high-frequency activation. J Physiol
Bornschein G, Arendt O, Hallermann S, Brachtendorf S, Eilers J, Schmidt H
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(2013) Restricted diffusion of calretinin in cerebellar granule cell dendrites implies Ca2+- dependent interactions via its EF-hand 5 domain. J Physiol
Arendt O, Schwaller B, Brown EB, Eilers J, Schmidt H
